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生活

為什麼章魚的每條手臂像有自己的頭腦?

明日科學

更新於 22小時前 • 發布於 22小時前 • 高 詩豪

觸手中央藏著類似脊髓的神經系統!

大家都知道章魚很厲害,對吧?牠們不僅聰明,還有三顆心臟,眼睛像稜鏡一樣精密,甚至皮膚還能「感光」。但最神奇的地方,莫過於牠們的八隻觸手,幾乎各自為政,能同時處理多件事,讓人類望塵莫及。

每隻觸手都有「自己的小腦袋」

章魚的秘密武器,就是每條觸手裡的「軸向神經索」(Axial Nervous Cord,簡稱 ANC)。根據《自然通訊》(Nature Communications)的最新研究,這個 ANC 就像人類的脊髓一樣,負責指揮觸手的動作。研究首席作者奧爾森(Cassady Olson)說:「你可以把 ANC 想成每條觸手的獨立神經中樞。」

這個神經索不僅分工精細,還充滿了類似於脊椎動物神經系統的結構,包括神經細胞體、神經膠質,以及連接觸手與大腦的長神經纖維。然而,章魚的觸手並不靠骨頭支撐,而是一種叫「肌肉液壓結構」(muscular hydrostat)的設計——全由肌肉、結締組織和神經構成,靈活度驚人。另一個類似的結構是什麼?答案居然是人類的舌頭!

比尾巴還厲害的觸手

圖片展示了長尾槍烏賊 (Doryteuthis pealeii) 的三個部位(手臂、觸腕桿和觸腕末端)中,軸神經索 (ANC) 的結構和分段情況。主要重點如下: 手臂 (a–d) 手臂有吸盤,軸神經索 (ANC) 明顯分段。 細胞層 (CBL) 表現出分段結構(白色箭頭所示),表明神經活動在局部節點進行處理,有助於手臂的靈活運動和吸盤控制。 觸腕桿 (e–h) 觸腕桿沒有吸盤,軸神經索的細胞層不分段。 血管(標記為 F-actin,顯示為粉紅色)呈規則排列,但不位於細胞層內,說明觸腕桿的結構更簡單,可能主要負責快速伸縮。 觸腕末端 (i–l) 觸腕末端有吸盤,軸神經索的細胞層再次顯示出分段結構(白色箭頭所示),類似手臂。分段結構可能與吸盤的精準控制和靈活動作有關。(圖/《自然通訊》)
圖片展示了長尾槍烏賊 (Doryteuthis pealeii) 的三個部位(手臂、觸腕桿和觸腕末端)中,軸神經索 (ANC) 的結構和分段情況。主要重點如下: 手臂 (a–d) 手臂有吸盤,軸神經索 (ANC) 明顯分段。 細胞層 (CBL) 表現出分段結構(白色箭頭所示),表明神經活動在局部節點進行處理,有助於手臂的靈活運動和吸盤控制。 觸腕桿 (e–h) 觸腕桿沒有吸盤,軸神經索的細胞層不分段。 血管(標記為 F-actin,顯示為粉紅色)呈規則排列,但不位於細胞層內,說明觸腕桿的結構更簡單,可能主要負責快速伸縮。 觸腕末端 (i–l) 觸腕末端有吸盤,軸神經索的細胞層再次顯示出分段結構(白色箭頭所示),類似手臂。分段結構可能與吸盤的精準控制和靈活動作有關。(圖/《自然通訊》)

雖然觸手有點像靈活的尾巴,但奧爾森指出,章魚觸手遠比尾巴「自由」,尤其是那些覆滿吸盤的部分。這些吸盤不僅能抓東西,還能單獨變形,甚至「聞」和「嘗」。這麼一來,每隻觸手幾乎是自給自足。

驚人的事實是,章魚觸手的神經數量比大腦還多!因此,每隻觸手能獨立處理工作,比如一邊用幾隻觸手爬行,一邊用另外兩隻破解貝殼。甚至當觸手被切下來時,仍然會動,彷彿「死而不僵」,因為大部分指令早就儲存在 ANC 裡。

「分段式」設計是關鍵

研究更進一步揭示,這些神經索沿著觸手分為多段「模組」,每段負責自己的區域,減少中央大腦的負擔。奧爾森解釋:「每段神經索就像觸手內的小處理單元,能獨立決策,快速反應。」這種分段設計,讓章魚的觸手比其他動物更靈活,比如全身分段的蚯蚓。

軟體機器人的靈感來源

別以為章魚觸手的秘密與我們無關!它已經成為「軟體機器人」(soft robotics)設計的靈感來源。軟體機器人使用柔軟的材料,模仿章魚觸手的分段神經控制和靈活吸盤,應用於醫療手術、海底探測等高精度任務。

研究中還提到,章魚的 ANC 擁有一種叫「吸盤地圖」(suckerotopy)的神經結構,類似於一個天生的陀螺儀,幫助牠們判斷空間位置。這些特性未來可能大幅提升軟體機器人的運算效率與動作靈活性。

章魚的神經系統雖然看起來與人類大相逕庭,但正是這種「完全不同」的設計,讓科學家能發現全新的生物學和工程學靈感。奧爾森說得好:「研究章魚神經系統既困難又有趣,牠們讓我們重新思考生命結構的可能性。」

這項研究刊登在最新一期的《自然通訊》。

更多科學與科技新聞都可以直接上 明日科學網 http://www.tomorrowsci.com

首圖來源:NetaDegany via Getty Images (CC BY 4.0)

圖片來源:Nature Communications (CC BY 4.0)

參考論文:
Neuronal segmentation in cephalopod armsNature Communications

延伸閱讀:
1、章魚觸手的3D秘密:神經系統謎團揭曉2、科學家首度發現章魚與魚類 聯手出擊捕獵

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